CN111780938A - 一种离心机三向振动台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离心机三向振动台，包括控制单元、作动单元；作动单元安装在离心机的吊篮单元内；作动单元包括用于提供水平X向激振力的X向作动器模块、水平Y向激振力的Y向作动器模块、竖直Z向激振力的Z向作动器模块；X向作动器模块、Y向作动器模块、Z向作动器模块的作用端均作用于试验件；控制单元的信号输出端分别与X向作动器模块的信号输入端、Y向作动器模块的信号输入端、Z向作动器模块的信号输入端连接。本发明通过三向振动台结构，实现了超重力场中三向地震动的加载与控制，满足了三向地震动基础科学研究的需要，具有三向载荷组合可调、时序可调、模拟精度高和易于维护等特点。

Description

一种离心机三向振动台

技术领域

本发明属于振动试验装备技术领域，具体涉及一种离心机三向振动台。

背景技术

美国1999年花巨资在TreasureIsland现场观测到地震动传播从104m深基岩到地表过程中不同深度处的地震加速度时程曲线，发现基岩地震动具有三向性，向地表传播的过程中发生了放大效应；三个方向地震波的相位随时间和空间发生变化，不同向地震波之间的相位差异沿着传播方向也发生着变化，具有非一致性。2008年汶川地震德阳白马台站记录的地面地震波也发现了显著的三向性。地震动在岩土体中传播的波动效应非常复杂，如地震动放大效应、各向地震动间相位时变的空间非一致性、蹦床效应。

岩土体塑性主应变增量方向与主应力方向不一致的非共轴效应对灾变有重要影响。三向地震动之间相位时变的非一致性导致土体主应力方向不断变化，从而显著加剧土体的非共轴效应。初步理论研究显示单向、双向和三向地震动作用下岩土体的震陷变形灾变具有显著差异。在建构筑物抗震设计中尚未考虑地震动三向特征和土体非共轴效应的影响，使得工程的抗震安全性大大降低。

国际学术界和工程界普遍认为模拟地震动的最有效途径是振动台，振动台分为地面振动台和离心机振动台。离心机振动台，振动台安装在离心机上，离心机利用高速旋转的长臂产生n倍于重力加速度的离心加速度，在1/n比尺的物理模型上产生与原型等效的重力场，同时对原型时间也缩短n倍，从而实现“时空压缩”。例如当离心机产生150g的超重力场时，0.5m厚的模型土体等效现场75m厚的场地岩土体，历时1s的高频激振复现150s持时的实际地震。因此，离心机振动台能真实地模拟地震动在大尺度空间内的传递规律和岩土体的灾变效应，是目前唯一能在模型尺度上再现大尺度岩土体地震动传播及灾变形成和演化的科研装置。由于离心机振动台的独特优势，国外内已经研制了多台离心机振动台，但现有的离心机振动台多为离心机单向振动台，离心机双向振动台只有几台，尚无离心机三向振动台，无法开展三向地震动的研究工作。

因此急需研发出一种离心机三向振动台来解决以上问题。

发明内容

为解决上述背景技术中提出的问题。本发明提供了一种离心机三向振动台。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种离心机三向振动台，包括：

用于实现多作动器同步伺服控制和三向振动波形复现控制的控制单元；

用于提供激振力和传导反作用力的作动单元；作动单元安装在离心机的吊篮单元内；作动单元包括用于提供水平X向激振力的X向作动器模块、水平Y 向激振力的Y向作动器模块、竖直Z向激振力的Z向作动器模块；X向作动器模块、Y向作动器模块、Z向作动器模块的作用端均作用于试验件；控制单元的信号输出端分别与X向作动器模块的信号输入端、Y向作动器模块的信号输入端、 Z向作动器模块的信号输入端连接。

具体地，控制单元包括用于将常重力场三向振动波形处理为超重力场三向加载波形的波形预处理模块、用于三向振动波形控制的三向波形修正控制模块、用于实现作动单元同步闭环控制和三向运动协调控制的多轴伺服控制模块和用于测试反馈的传感模块；拟开展试验的常重力场三向振动波形通过波形预处理模块的输入端输入，三向波形修正控制模块的信号输入端分别与波形预处理模块的信号输出端、传感模块的信号输出端连接，多轴伺服控制模块的信号输入端分别与三向波形修正控制模块的信号输出端、传感模块的信号输出端连接，多轴伺服控制模块的信号输出端与X向作动器模块的信号输入端、Y向作动器模块的信号输入端、Z向作动器模块的信号输入端连接。

具体地，离心机三向振动台还包括用于安装支撑试验件并使其能沿三个方向解耦运动的承载单元，承载单元包括：

用于安装试验件和传递水平双向振动载荷的上台面；试验件安装在上台面顶部；X向作动器模块、Y向作动器模块的作用端均通过竖向设置的橡胶轴承与上台面连接；

用于传递竖向振动载荷的下台面；下台面安装在上台面的下部，下台面的上端通过平铺设置的橡胶轴承与上台面的底部连接，Z向作动器模块竖直安装在内部箱体的底部，Z向作动器模块的作用端与下台面的底部连接。

优选地，离心机三向振动台还包括竖直设置的导向模块，下台面安装在导向模块内并沿导向模块竖直上下动作。

优选地，X向作动器模块、Y向作动器模块均为两个，两个X向作动器模块分别置于上台面的X向两端，两个Y向作动器模块分别置于上台面的Y向两端。

具体地，吊篮单元包括：

两个吊耳；两个吊耳通过销轴与离心机大臂相连；

内部箱体；

外部箱体；两个吊耳与外部箱体固定连接；内部箱体安装于外部箱体内部；内部箱体与外部箱体之间设置有多个用于减小三向振动对离心机大臂影响的隔振模块；X向作动器模块、Y向作动器模块、Z向作动器模块均固定在内部箱体上，X向作动器模块、Y向作动器模块的活塞杆穿过内部箱体上的通孔与上台面相连；下台面安装在内部箱体内部，Z向作动器模块的活塞杆穿过内部箱体上的通孔后与下台面连接；导向模块竖直安装在内部箱体的内侧壁上，导向模块与下台面配合安装，并用于下台面的竖向滑动导向。

优选地，离心机三向振动台还包括用于平衡竖直Z向超重力效应的平衡单元，平衡单元包括用于提供竖直Z向平衡力的平衡用液压缸、平衡用伺服阀组件、平衡用蓄能器组件；平衡用液压缸安装在内部箱体底部，平衡用液压缸的活塞杆与下台面连接；平衡用伺服阀组件安装于平衡用液压缸上，平衡用蓄能器组件安装在外部箱体内；平衡用液压缸通过管路与平衡用蓄能器组件连接，控制单元的信号输出端与平衡用伺服阀组件的信号输入端连接，平衡用伺服阀组件与平衡用液压缸和平衡用蓄能器组件连接。

具体地，油源单元包括：

用于提供高压液压油的地面液压泵站；

用于离心机振动台激振过程瞬时大流量补油和多个作动器供油控制的蓄能分配模块；

用于将高压液压油从地面传输到离心机大臂上的旋转接头；地面液压泵站通过管道连接旋转接头，旋转接头通过管道与蓄能分配模块连接；蓄能分配模块分别与X向作动器模块、Y向作动器模块、Z向作动器模块连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本申请通过三向振动台结构，实现了超重力场中三向地震动的加载与控制，满足了三向地震动基础科学研究的需要，具有三向载荷组合可调、时序可调、模拟精度高和易于维护等特点。

附图说明

图1为本申请中吊篮单元安装位置结构示意图；

图2为本申请中吊篮单元的立体结构示意图；

图3为本申请中吊篮单元的剖视图；

图4为本申请中X向作动器模块、Y向作动器模块的安装结构示意图；

图5为本申请中控制单元、作动单元的连接示意图；

图6为本申请中的高速闭环控制方框图；

图7为本申请中的低速闭环控制方框图；

图8为本申请中橡胶轴承的结构示意图。

图中：1.控制单元，11.波形预处理模块，12.三向波形修正控制模块，13. 多轴伺服控制模块，14.传感模块，2.承载单元，21.上台面，211.T型槽，22. 下台面，23.导向模块，24.橡胶轴承，241.安装底板，242.阻尼橡胶层，243. 合金板层，3.作动单元，31.X向作动器模块，32.Y向作动器模块，33.Z向作动器模块，41.平衡用液压缸，42.平衡用伺服阀组件，43.平衡用蓄能器组件，51. 地面液压泵站，52.旋转接头，53.蓄能分配模块，6.吊篮单元，61.吊耳，62. 内部箱体，63.外部箱体，631.吊篮底板，632.底板销轴，64.隔振模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供以下技术方案：

如图2-5所示，一种离心机三向振动台，包括：

用于实现多作动器同步伺服控制和三向振动波形复现控制的控制单元1；

用于提供激振力和传导反作用力的作动单元3；作动单元3安装在离心机的吊篮单元6内；作动单元3包括用于提供水平X向激振力的X向作动器模块31、水平Y向激振力的Y向作动器模块32、竖直Z向激振力的Z向作动器模块33；X向作动器模块31、Y向作动器模块32、Z向作动器模块33的作用端均作用于试验件；控制单元1的信号输出端分别与X向作动器模块31的信号输入端、Y 向作动器模块32的信号输入端、Z向作动器模块33的信号输入端连接。

如图5所示，控制单元1包括用于将常重力场三向振动波形处理为超重力场三向加载波形的波形预处理模块11、用于三向振动波形控制的三向波形修正控制模块12、用于实现作动单元同步闭环控制和三向运动协调控制的多轴伺服控制模块13和用于测试反馈的传感模块14；拟开展试验的常重力场三向振动波形通过波形预处理模块11的输入端输入，三向波形修正控制模块12的信号输入端分别与波形预处理模块11的信号输出端、传感模块14的信号输出端连接，多轴伺服控制模块13的信号输入端分别与三向波形修正控制模块12的信号输出端、传感模块14的信号输出端连接，多轴伺服控制模块13的信号输出端与X 向作动器模块31的信号输入端、Y向作动器模块32的信号输入端、Z向作动器模块33的信号输入端连接。

在本实施例中，所有的X向作动器模块31、Y向作动器模块32、Z向作动器模块33均由液压缸及对应的伺服阀组成。

如图3所示，离心机三向振动台还包括用于安装支撑试验件并使其能沿三个方向解耦运动的承载单元2，承载单元2包括：

用于安装试验件和传递水平双向振动载荷的上台面21；试验件安装在上台面21顶部；X向作动器模块31、Y向作动器模块32的作用端均通过竖向设置的橡胶轴承24与上台面21连接；

用于传递竖向振动载荷的下台面22；下台面22安装在上台面21的下部，下台面22的上端通过平铺设置的橡胶轴承24与上台面21的底部连接，Z向作动器模块33竖直安装在内部箱体62的底部，Z向作动器模块33的作用端与下台面22的底部连接。

在一些实施例中下台面22形成为下端设置开口的箱型结构。

如图3所示，离心机三向振动台还包括竖直设置的导向模块23，下台面22 安装在导向模块23内并沿导向模块竖直上下动作。

如图4所示，X向作动器模块31、Y向作动器模块32均为两个，两个X向作动器模块31分别置于上台面21的X向两端，两个Y向作动器模块31分别置于上台面21的Y向两端。

在本实施例中，两个X向作动器模块31在同一水平面内沿直线分别安装于上台面X方向两侧，两个Y向作动器模块32在同一水平面内沿直线分别安装于上台面Y方向两侧，两个X向作动器模块31采用一推一拉串联方式共同实现X 向激振；两个Y向作动器模块32采用一推一拉串联方式共同实现Y向激振；Y 向作动器模块32由两套液压缸及对应伺服阀组成。

如图4所示，在本实施例中，上台面21的四个侧面均开设有T型槽211，橡胶轴承24布设T型槽211内；在其中上台面21的X方向上的T型槽211内橡胶轴承24为沿Y方向布设，使得Y向作动器模块32工作时候，上台面21产生沿Y方向的振动；其中上台面21的Y方向上的T型槽211内橡胶轴承24为沿X方向布设，使得X向作动器模块32工作时候，上台面21产生沿X方向的振动；且在本实施例中优选在上台面21的每侧均开设有两个T型槽211。

如图2、3所示，吊篮单元6包括：

两个吊耳61；两个吊耳61通过销轴与离心机大臂相连；

内部箱体62；

外部箱体63；两个吊耳61与外部箱体63固定连接；内部箱体62安装于外部箱体63内部；内部箱体62与外部箱体63之间设置有多个用于减小三向振动对离心机大臂影响的隔振模块64；X向作动器模块31、Y向作动器模块32、Z 向作动器模块33均固定在内部箱体62上，X向作动器模块31、Y向作动器模块 32的活塞杆穿过内部箱体62上的通孔与上台面21相连；下台面22安装在内部箱体62内部，Z向作动器模块33的活塞杆穿过内部箱体62上的通孔后与下台面22连接；导向模块23竖直安装在内部箱体62的内侧壁上，导向模块23与下台面22配合安装，并用于下台面22的竖向滑动导向。

在一些实施例中，如图2所示，示出了外部箱体63包括吊篮底板631和底板销轴632，吊篮底板631置于外部箱体63的底部，底板销轴632用于吊篮底板631与外部箱体63主体的连接。

在一些实施例中，隔振模块64采用聚氨酯缓冲块，隔振模块64为多个，一部分置于内部箱体62外侧壁和外部箱体63内侧壁之间，另一部分置于内部箱体62底部与外部箱体63内侧底部之间。

如图3所示，离心机三向振动台还包括用于平衡竖直Z向超重力效应的平衡单元，平衡单元包括用于提供竖直Z向平衡力的平衡用液压缸41、平衡用伺服阀组件42、平衡用蓄能器组件43；平衡用液压缸41安装在内部箱体62底部，平衡用液压缸41的活塞杆与下台面22连接；平衡用伺服阀组件42安装于平衡用液压缸41上，平衡用蓄能器组件43安装在外部箱体63内；平衡用液压缸41 通过管路与平衡用蓄能器组件43连接，控制单元1的信号输出端与平衡用伺服阀组件42的信号输入端连接，平衡用伺服阀组件42与平衡用液压缸41和平衡用蓄能器组件43连接。

本实施例工作时候，试验时，离心机运行到设定加速度值时，控制单元1 将输出控制信号给平衡用伺服阀组件42，平衡用伺服阀组件42控制平衡用液压缸41使其达到中间位置工作零位，同时继续通过平衡用蓄能器组件43向平衡用液压缸41供油，直到平衡用液压缸41的压力达到设定的压力值后关闭，开始激振，激振过程中控制平衡用液压缸41中的液压油总量保持不变。

如图1、3所示，油源单元包括：

用于提供高压液压油的地面液压泵站51；

用于离心机振动台激振过程瞬时大流量补油和多个作动器供油控制的蓄能分配模块53；

用于将高压液压油从地面传输到离心机大臂上的旋转接头52；地面液压泵站51通过管道连接旋转接头52，旋转接头52通过管道与蓄能分配模块53连接；蓄能分配模块53分别与X向作动器模块31、Y向作动器模块32、Z向作动器模块33连接。

如图8所示，示出了橡胶轴承24的具体结构，橡胶轴承24包括安装底板 241、阻尼橡胶层242、合金板层243，多层阻尼橡胶层242、多层合金板层243 间隔分布，两层安装底板241置于阻尼橡胶层242和合金板层243的组合两侧；橡胶轴承24为现有技术，在此不做过多敷述。

在本申请中，优选地，X向作动器模块31、Y向作动器模块32、Z向作动器模块33、平衡用液压缸41、平衡用蓄能组件43、蓄能分配模块53和吊篮单元6的总质量应大于上台面21、下台面22、X向作动器模块31的液压缸活塞杆、Y向作动器模块32的液压缸活塞杆、Z向作动器模块33的液压缸活塞杆和最大试验件总质量的5倍以上；

在本实施例中，三向波形修正控制模块12用于完成高频地震压缩波的快速修正，通过1～3次修正后，能够达到较高的控制精度。多轴伺服控制模块13用于完成三轴向的多作动器之间的同步协调运动控制，同时实现台面克服离心力的支撑平衡控制，以保证在离心场环境下三向振动台的稳定宽频激振。传感模块14用于监测位移、加速度、压差及压力信号，作为控制信号反馈量，提供给三向波形修正控制模块12、多轴伺服控制模块13进行闭环控制。

本实施例中还涉及到三轴向多作动器同步协调运动控制方法，为高低速闭环下的双环路控制方法，可有效解决运动自由度解耦、作动器宽频激振控制和克服离心力支撑平衡控制等问题。其一，高速闭环控制方法是通过引入自由度解耦、作动器动态压差与位移混合控制以及自由度反馈控制法，可实现离心机三向振动台的三轴向宽频激振，并有效削弱各个自由度之间的串扰；其二，低速闭环控制方法是，沿离心机顺臂方向的平衡用液压缸41，须引入平衡用液压缸41的压力信号，进行力反馈闭环控制，同时根据作动器位移均值补偿方法，实现克服离心力的支撑平衡控制，并有效保证在动态激振过程中平衡用液压缸 41的振动位移均值都在工作零位。

高低速闭环下的双环路闭环控制：

针对离心场下的三向振动台，为了实现离心力方向的作动器宽频激振，必须采用有效的控制方式，使得电液作动器一方面必须能够克服离心力，一方面可以稳定宽频激振。这里提出了一种高低速闭环下的双环路闭环控制方法，有效解决自由度解耦控制、作动器宽频控制和克服离心力支撑控制问题。

如图6所示，高速闭环控制方法为，引入自由度解耦、压差与位移混合控制和自由度反馈控制法，取***控制闭环周期为0.2ms以内，有效实现三向振动台的三轴向宽频激振，并削弱各个自由度之间的串扰。

如图7所示，低速闭环控制方法为，同时采用伺服阀的位移均值控制和支撑阀的压力控制，取***控制闭环周期为0.5。

这里，引入平衡用液压缸41的压力信号，进行平衡用伺服阀组件42的压力控制，经过控制的平衡用液压缸41提供静平衡力与离心力抵消，压力信号计算如下：

这里，

为平衡用液压缸(41)的支撑压强，F_i(i＝1,2,3,4)为平衡用液压缸41的支撑压力。

这里采用伺服阀的位移均值控制和支撑阀的压力控制，取***控制闭环周期为1ms。由此，作动器可以实现低频克服离心力控制和高频激振控制。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种离心机三向振动台，其特征在于，包括：

用于实现多作动器同步伺服控制和三向振动波形复现控制的控制单元(1)；

用于提供激振力和传导反作用力的作动单元(3)；作动单元(3)安装在离心机的吊篮单元(6)内；作动单元(3)包括用于提供水平X向激振力的X向作动器模块(31)、水平Y向激振力的Y向作动器模块(32)、竖直Z向激振力的Z向作动器模块(33)；X向作动器模块(31)、Y向作动器模块(32)、Z向作动器模块(33)的作用端均作用于试验件；控制单元(1)的信号输出端分别与X向作动器模块(31)的信号输入端、Y向作动器模块(32)的信号输入端、Z向作动器模块(33)的信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种离心机三向振动台，其特征在于，控制单元(1)包括用于将常重力场三向振动波形处理为超重力场三向加载波形的波形预处理模块(11)、用于三向振动波形控制的三向波形修正控制模块(12)、用于实现作动单元同步闭环控制和三向运动协调控制的多轴伺服控制模块(13)和用于测试反馈的传感模块(14)；拟开展试验的常重力场三向振动波形通过波形预处理模块(11)的输入端输入，三向波形修正控制模块(12)的信号输入端分别与波形预处理模块(11)的信号输出端、传感模块(14)的信号输出端连接，多轴伺服控制模块(13)的信号输入端分别与三向波形修正控制模块(12)的信号输出端、传感模块(14)的信号输出端连接，多轴伺服控制模块(13)的信号输出端与X向作动器模块(31)的信号输入端、Y向作动器模块(32)的信号输入端、Z向作动器模块(33)的信号输入端连接。

3.根据权利要求2所述的一种离心机三向振动台，其特征在于，离心机三向振动台还包括用于安装支撑试验件并使其能沿三个方向解耦运动的承载单元(2)，承载单元(2)包括：

用于安装试验件和传递水平双向振动载荷的上台面(21)；试验件安装在上台面(21)顶部；X向作动器模块(31)、Y向作动器模块(32)的作用端均通过竖向设置的橡胶轴承(24)与上台面(21)连接；

用于传递竖向振动载荷的下台面(22)；下台面(22)安装在上台面(21)的下部，下台面(22)的上端通过平铺设置的橡胶轴承(24)与上台面(21)的底部连接，Z向作动器模块(33)竖直安装在内部箱体(62)的底部，Z向作动器模块(33)的作用端与下台面(22)的底部连接。

4.根据权利要求3所述的一种离心机三向振动台，其特征在于，离心机三向振动台还包括竖直设置的导向模块(23)，下台面(22)安装在导向模块(23)内并沿导向模块竖直上下动作。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种离心机三向振动台，其特征在于，X向作动器模块(31)、Y向作动器模块(32)均为两个，两个X向作动器模块(31)分别置于上台面(21)的X向两端，两个Y向作动器模块(31)分别置于上台面(21)的Y向两端。

6.根据权利要求5所述的一种离心机三向振动台，其特征在于，吊篮单元(6)包括：

两个吊耳(61)；两个吊耳(61)通过销轴与离心机大臂相连；

内部箱体(62)；

外部箱体(63)；两个吊耳(61)与外部箱体(63)固定连接；内部箱体(62)安装于外部箱体(63)内部；内部箱体(62)与外部箱体(63)之间设置有多个用于减小三向振动对离心机大臂影响的隔振模块(64)；X向作动器模块(31)、Y向作动器模块(32)、Z向作动器模块(33)均固定在内部箱体(62)上，X向作动器模块(31)、Y向作动器模块(32)的活塞杆穿过内部箱体(62)上的通孔与上台面(21)相连；下台面(22)安装在内部箱体(62)内部，Z向作动器模块(33)的活塞杆穿过内部箱体(62)上的通孔后与下台面(22)连接；导向模块(23)竖直安装在内部箱体(62)的内侧壁上，导向模块(23)与下台面(22)配合安装，并用于下台面(22)的竖向滑动导向。

7.根据权利要求6所述的一种离心机三向振动台，其特征在于，离心机三向振动台还包括用于平衡竖直Z向超重力效应的平衡单元，平衡单元包括用于提供竖直Z向平衡力的平衡用液压缸(41)、平衡用伺服阀组件(42)、平衡用蓄能器组件(43)；平衡用液压缸(41)安装在内部箱体(62)底部，平衡用液压缸(41)的活塞杆与下台面(22)连接；平衡用伺服阀组件(42)安装于平衡用液压缸(41)上，平衡用蓄能器组件(43)安装在外部箱体(63)内；平衡用液压缸(41)通过管路与平衡用蓄能器组件(43)连接，控制单元(1)的信号输出端与平衡用伺服阀组件(42)的信号输入端连接，平衡用伺服阀组件(42)与平衡用液压缸(41)和平衡用蓄能器组件(43)连接。

8.根据权利要求7所述的一种离心机三向振动台，其特征在于，离心机三向振动台还包括油源单元，油源单元包括：

用于提供高压液压油的地面液压泵站(51)；

用于离心机振动台激振过程瞬时大流量补油和多个作动器供油控制的蓄能分配模块(53)；

用于将高压液压油从地面传输到离心机大臂上的旋转接头(52)；地面液压泵站(51)通过管道连接旋转接头(52)，旋转接头(52)通过管道与蓄能分配模块(53)连接；蓄能分配模块(53)分别与X向作动器模块(31)、Y向作动器模块(32)、Z向作动器模块(33)连接。

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